自動換刀裝置設計 -劉曉峰

1、 自動換刀系統(tǒng)設計劉曉峰 08機械（3）班 2011年6月11日第1章 緒 論1.1 加工中心發(fā)展簡史1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機械加工設備在柔性，自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工件品種的變化，進行多品種加工。加工中心和車削中心是有機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復雜零件加工的高效、高精度的自動化機床。這種機床可裝若干把刀具，能自動更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴、鉸、攻螺紋等的加工。也是因為加工中心和車削中心比一般數(shù)控機床多了一套自動

2、換刀裝置，可實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機床中發(fā)展最快、需求最大的機床。1.2 加工中心的主要優(yōu)點1）提高加工質量工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的餓穩(wěn)定精度。2）縮短加工準備時間加工中心可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準備時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。才這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。3）減少在制品以往的加工方式是工件流動于多臺通用機床之間，這就要有相當數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多

3、個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。4）減少刀具費不分散設置在個通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能有最少量的刀具，實現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。5）最少的直接勞務費由NC裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉。這些都可縮減直接勞務費。6）最少的間接勞務費由于工序集中，工件搬運和質量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。7）設備利用率高加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。第2章 初步方案2.1 要求與初步方案本次設計的對象為立式加工中心XH716的自動換刀裝置。自動換刀裝置的主要性能指標為：1）

4、 刀庫容量：20把。2） 刀柄型號：ISO50。3） 最大刀具質量：16kg。4） 最大刀具直徑:mm。5） 最大刀具長度：400mm。6） 最大刀具（相鄰是空位）：mm。7） 刀庫選刀的時間：s。8） 換刀時間（刀對刀）：s。2.2 自動換刀裝置的主要結構自動換刀裝置的應用，從一開始就追求高速化。但是由于當時尚未充分掌握自動換刀裝置的內在規(guī)律，故障效率較高，所以，在后來的相當一段時間里，采用了首先保證動作可靠，然后才考慮速度的方針，在這段時間里，自動換刀裝置的速度未提高多少。但是隨著對自動換刀裝置內在規(guī)律的深入了解和用戶對自動換刀裝置速度的迫切要求，又開始注意自動換刀裝置的速度了。在加工中心

5、加工零件的過程中換刀動作是由自動換刀裝置完成的。自動換刀裝置應該滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，刀具儲存數(shù)量足夠，結構緊湊，便于制造、維修、調整，應有防屑、防塵裝置，布局應合理等要求。同時也應具有較好的剛性，沖擊、振動及噪聲小，運轉安全可靠等特點。自動換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機構、刀具交換機構(如機械手)、刀具在主軸上的自動裝卸機構等部分組成。5第3章 確定自動換刀裝置的換刀順序3.1 自動換刀裝置的換刀順序3.1.1 自動換刀裝置概述在加工中心加工零件的過程中換刀動作是由自動換刀裝置完成的。自動換刀裝置應該滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，刀具儲存數(shù)量足夠，結構緊湊，便于制造、維修、調整，

6、應有防屑、防塵裝置，布局應合理等要求。同時也應具有較好的剛性，沖擊、振動及噪聲小，運轉安全可靠等特點。自動換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機構、刀具交換機構(如機械手)、刀具在主軸上的自動裝卸機構等部分組成。自動換刀方式分為兩大類：一是由刀庫和主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。用這種形式交換刀具時，主軸上用過的刀具送回刀庫和從刀庫中取出新刀，這兩個動作不能同時進行，選刀和換刀由數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間長，換刀動作也較多。二是由機械手進行刀具交換。3.1.2 刀具的夾持形式 機械手對刀具的夾持方式主要有兩種：1）柄式夾持：刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數(shù)控機床較多采用這種夾持方式。如圖3-1所

7、示為機械手手掌結構示意圖。由固定爪7及活動爪1組成，活動爪1可繞軸2回轉，其一端在彈簧柱塞6的作用下，支靠在擋銷3上，調整螺栓5以保持手掌適當?shù)膴A緊力，鎖緊銷4使活動爪1牢固夾持刀柄，防止刀具在交換過程中松脫。鎖緊銷4要軸向壓進，放松活動爪1，以便抓刀或松刀時手爪從刀柄V形槽中退出。圖3-1柄式夾持 圖3-2法蘭盤式夾持2）法蘭盤式夾持：也稱徑向夾持或碟式夾持，如圖3-2所示在刀柄的前端有供機械手夾持用的法蘭盤，圖中所示為采用帶洼形肩面的法蘭盤供機械手夾持用。圖a）上圖為松開狀態(tài)，下圖為夾持狀態(tài)。采用法蘭盤式夾持的突出優(yōu)點是：當采用中間搬運裝置時，可以很方便地從一個機械手過渡到另一個輔助機械手

8、上去，如圖b）所示。法蘭盤式夾持方式、換刀動作較多，不如柄式夾持方式應用廣泛。3.1.3自動換刀的工作原理下面以EV-810A立式加工中心為例，來說明自動換刀系統(tǒng)的工作原理。該自動換刀系統(tǒng)由盤式刀庫和刀具交換裝置組成。刀庫安裝在機床立柱的左側，刀庫容量為24把刀具，換刀機械手安裝在刀庫和主軸之間。機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的刀具送回刀庫。其自動換刀動作過程簡述如下：1）刀套下轉90：如圖所示3-3，刀庫位于立柱左側，刀具軸線在刀庫中的安裝方向在換刀前與主軸垂直，刀庫將待換刀具5送到換刀位置，刀套4連同刀具5向下翻轉90，使刀具軸線與主軸軸線平行。圖3-3自動換刀的工作原

9、理2）機械手轉75：下圖所示K向視圖為機械手的原始位置，換刀時機械手順時針轉75，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。3）機械手拔刀：待主軸上自動夾緊機構松開刀具后，機械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具。4）刀具位置交換：機械手順時針轉180，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。5）機械手插刀：機械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中。6）機械手逆時針轉75：待主軸上自動夾緊機構夾緊刀具后，機械手逆時針轉，回到原始位置。7）刀套上轉90：刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉90，準備下一次選刀。該機床使用回轉式單臂雙手機械手換刀。在自動換刀過程中，機械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具

10、、插刀和復位等動作，這些動作由氣壓系統(tǒng)來控制完成。這種自動換刀系統(tǒng)結構簡單，換刀可靠，換刀動作也少，得到了廣泛應用。3.2 凸輪聯(lián)動驅動機械手工作循環(huán)圖的確定在自動換刀裝置工作過程中，松、夾刀動作和刀套翻轉動作由主機控制完成，其余各個動作的匹配關系，如圖3-4所示。這些動作由凸輪聯(lián)動機構實現(xiàn)。圖3-4 凸輪聯(lián)動驅動機械手工作循環(huán)圖a)弧面分度凸輪運動線圖 b)拔插刀凸輪運動線圖c）松緊刀凸輪運動線圖 d）停轉凸輪運動線圖3.3 凸輪曲線特性值及運動規(guī)律的選擇評價各種運動規(guī)律，常常按照一些與運動學或動力學有關的特性值。通過這些特性值的比較，可以大體分析出凸輪機構選用這種運動規(guī)律的運動或動力特性，

11、甚至可以反映出工作行為、結構或壽命等方面的基本趨勢。運與動規(guī)律常用的特性值有以下幾種：1）最大速度凸輪曲線的特性值。眾所周知，凸輪機構的輪廓壓力角一般隨速度的增大而增加。壓力角過大，會導致磨損加劇，效率下降，甚至自鎖咬死。為了減小壓力角，應選用較小的運動規(guī)律。如果壓力角選定時，較小的，可以得到較小的基圓半徑，因而能減小凸輪機構的尺寸。低速機構一般按較小的原則選用運動規(guī)律。2）無因次最大加速度。在高速凸輪機構中，與加速度成正比的慣性力是載荷的主要組成部分。較大的慣性力不但使構件受力增加，構件之間磨損加劇，由于振動分量的存在，還導致從動件的振動加大，嚴重影響工作精度。因此，是選用運動規(guī)律時必須考慮

12、的主要特性，特別是在中、高速機構中，更要選用較小的。速度與加速度的增加還導致輪廓曲率半徑的減小，使接觸應力增加。3）動載轉矩特性值。經(jīng)證明，與動載慣性力對應的凸輪軸轉矩正比與，它的最大值決定動載轉矩的最大值。為了減少凸輪軸轉矩，降低電動機功率，應選用較小的運動規(guī)律。4）最大躍度和最大跳度。在高速機構中，要求高階導數(shù)連續(xù)，而且絕對值盡量小，以便減少機構的振動，提高工作機構的運動精度。作為位移三階導數(shù)的躍度J和四階導數(shù)的跳度Q,通常要求控制其最大值或不要超過某一數(shù)值。3.4 提高換刀速度的措施這種凸輪聯(lián)動ATC，一般凸輪每轉一圈完成一次換刀動作。因此，提高ATC的換刀速度就必須提高凸輪的轉速。但由

13、于制造誤差的存在，速度提高也會使整個系統(tǒng)的動態(tài)特性變差。因此，應該綜合考慮，采取如下的措施： 1.提高驅動電動機的驅動轉速及驅動力矩。 2.合理選擇、設計凸輪曲線，提高凸輪制造精度。 3.減小凸輪曲線的壓力角。例如，改變結構參數(shù)，加大凸輪與滾子盤之間的中心距：縮短或去除主軸的松拉刀時間，使主軸松刀在換刀之前動作，拉刀在換刀之后動作：加大ATC在抓刀、180換刀、回零時的凸輪轉位角：減小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。4.改善潤滑條件，減小摩擦力矩。5.改變凸輪聯(lián)動的動作結構，如把180換刀改為20換刀等。總之，凸輪聯(lián)動ATC的設計，要把結構設計、動力學分析計算以及ATC的動作聯(lián)動關系進行綜合考

14、慮、反復計算，以取得較好的設計結果，保證ATC的換刀運動連續(xù)、高速、平穩(wěn)、可靠。3.5 主要計算公式1）滾子數(shù)的選定=360，一般取Z=616，在這里取=6。2）凸輪頭數(shù)當n取整數(shù)值且值越小，凸輪曲線條數(shù)就越少，凸輪結構也就越簡單。最理想的值是1，于是取=1。3）分度數(shù)n一般取n=424，這里取n=6。4）滾子盤分度角，大可提高承載能力，過大會使預緊困難。一般取取=。5）凸輪分度角根據(jù)實際情況確定。6）凸輪壓力角 （31）7）滾子盤分度圓半徑 （32）8）中心距即從動盤與凸輪回轉中心的距離，我國規(guī)定中心距為(40-450)mm。，其公比為1.25。常用的中心距有(40、50、63、80、100

15、、125、150、180、200)mm等。選取的中心距不同，對應的箱體尺寸不同，可以滿足不同功率需求。根據(jù)機床布局，刀庫與主軸箱間空間尺寸定中心距a,在結構允許時，a值盡量選大點，這樣可使凸輪曲線平緩，在本設計中取a=100mm。 9）計算滾子盤分度圓半徑 （32）式中 取= 許用壓力角，一般取，取 從動件運動規(guī)律的無量綱最大速度 10）凸輪壓力角 （31）由此可知凸輪壓力角滿足條件。11第4章 確定自動換刀裝置的傳動方案4.1 傳動方案的確定 考慮凸輪式自動換刀裝置較之他方式的換刀裝置，具有換刀速度快、可靠性好、控制簡單、維修方便等優(yōu)點，選用機械手的動作由聯(lián)動的凸輪驅動，刀庫的選刀分度也采用

16、弧面分度凸輪機構，可提高定位精度和可靠度，也使控制簡單。4.2 驅動電機的選擇驅動刀庫的電動機為普通電動機。刀庫的轉位分度由步進運動機構實現(xiàn)，并且也可由步進運動機構本身的結構準停定位。因此，要求間歇運動機構以后的齒輪傳動必須消隙預緊。對于刀庫容量大的鏈式刀庫，一般還需加準停裝置，此時的齒輪傳動就不用消隙預緊。普通電動機一般需變頻器驅動，用以實現(xiàn)調速、制動及安全保護。這里選用普通電動機。1.主要計算公式 1）弧面分度凸輪傳動箱輸入軸轉速（r/mm） （41）式中 刀庫容量，這里取=32把； 刀庫最長選刀時間（s），這里取=20s。2）減速裝置的傳動比 （42）式中 電動機斷電后所能轉過的圈數(shù)，對

17、于裝于刀庫的電動機來說，可取=46； 間歇運動機構弧面分度凸輪傳動箱中凸輪的轉位角，一般取=3）刀套的最大加速度 （43）式中 P刀具的間距(m)。 凸輪一個刀位的轉位時間（s）。4)動載荷驅動刀庫需要的功率 （44）式中 刀套的平均速度（m/s）13第5章 自動換刀裝置的控制5.1 自動換刀裝置的控制自動換刀裝置由刀庫、翻刀機構、機械手、刀庫手動裝卸刀機構四個主要部分組成。自動換刀裝置的工作由數(shù)控系統(tǒng)通過PLC控制。加工程序和PLC程序關系示意圖PLC程序是數(shù)控機床正常運轉的軟件核心，是連接NC和機床的橋梁，也是機床電氣設計人員調試機床的關鍵。一個完善的PLC程序不僅能使機床正常運行，還要讓

18、人看起來一目了然，既為自己調試提供方便，還能幫助維修人員查找故障和分析原因。 1.開關量的邏輯控制這是PLC最基本最廣泛的應用領域。PLC取代繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制。例如:機床刀庫換刀控制、汽車配裝線、電視機和收音機的生產(chǎn)線控制等。 2.運動控制PLC可用于對直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關量I/0模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。這類模塊一般帶有微處理器，用來控制運動物體的位置、速度和加速度，它可以控制直線運動或旋轉運動、單軸或多軸運動。它們使運動控制與可編程控制器的順序控制功能有機地結合在一起，被廣泛地應用在機床、裝配機械等場合。 3.閉環(huán)過程控制

19、在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量、速度這一類連續(xù)變化的模擬量，無論是使用模擬調節(jié)器的模擬控制系統(tǒng)還是使用計算機(包括PLC)的控制系統(tǒng)，PID(Proportional Integral Differential，即比例-積分一微分調節(jié))都因其良好的控制效果，得到了廣泛的應用。PLC通過模擬量I/0模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的A/D，D/A轉換，并對模擬量進行環(huán)PID控制，可用PID子程序來實現(xiàn)，也可使用專用的PID模塊。PLC的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛用于塑料擠壓成型機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，還廣泛地應用于輕工、化工、機械、冶金電力和建材等行業(yè)。 4.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代

20、的PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳遞、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲器中的參考值比較，也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或將其打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 5.機器人控制機器人作為工業(yè)過程自動生產(chǎn)線中的重要設備，已成為未來工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一?，F(xiàn)在許多機器人制造公司，選用PLC作為機器人控制器來控制各種機械動作。隨著PLC體積進一步縮小，功能進一步增強，PLC在機器人控制中的應用必將更加普遍。 6.通訊聯(lián)網(wǎng)PLC的通訊包括PLC之間的通訊、PLC與上位計算機和其它智能設備之間的通訊。P

21、LC和計算機具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網(wǎng)絡，以實現(xiàn)信息的交換，并可構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前PLC與PLC的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的。PLC與計算機之間的通訊，一些PLC生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境設計的一種工業(yè)控制計算機,采用面向用戶的指令,編程方便。近年來,PLC在傳統(tǒng)的對開關量處理的基礎上,又增加了數(shù)字運算及對模擬信號處理的能力。這給PLC的應用帶來了巨大的發(fā)展前景,PLC驅動步進電機實現(xiàn)點位控制,硬件電路設計簡單、方便、快捷。編程時只要熟悉PLC的指令即可。15參 考 文 獻1吳宗澤 羅圣國.機械設計課程設計手冊M.北京:高等教育出版社,2006.5；2邱宣懷 吳宗澤.機械設計(第四版)M.北京:高等教育出版社,2006.5；3廉元國 張永紅 加工中心設計與應用M 北京：機械工業(yè)出版社，1995.12；4張建民.機電一體化系統(tǒng)設計(第二版)M. 北